2020 Fiscal Year Annual Research Report
分散気泡のレオロジーが解き明かす混相乱流遷移のシナリオ
| Project/Area Number |
19H02057
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
田坂 裕司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
PARK HYUNJIN 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00793671)
村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | レオロジー / レオメトリ / 乱流実効粘度 / 気泡対流 / 流れの遷移 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
研究期間全体を通して，設定したテーマを実行するため，①局所非定常レオロジー物性の評価，②実効乱流渦粘度の評価，③気泡集積と渦の安定性評価，④局所乱流塊と気泡の干渉，を個別プロジェクトとして設定している．
２年目にあたる2020年度は，①を評価するための手法として新たにレオロジーマッピングと名付けた評価方法を確立した．これは，申請者らが独自に開発を進めてきた，超音波スピニングレオメトリからもたらされる豊富なレオロジー情報を表現するための手法である．CMC，PAM，およびPVPの３種類の高分子溶液について解析を行い，それらの特徴をこの手法を用いて効果的に表現するとともに，これまで曖昧にされていた物性を評価することに成功した．
②に関して，二重円筒で構成されるテイラー・クエット流型の装置を開発した．各円筒の回転を個別に制御することで，比較的低流速の条件での乱流を実現できる．また，レイノルズ方程式を変形して上記装置で計測できる情報を入力し，実効渦粘度を評価する手法を開発した．
③については，気泡対流の線形安定性解析，ならびに非線形解の分岐解析を行い，気泡に働く揚力が流れの安定性に与える影響を評価した．その結果として，流体層全層での対流と，層状に閉じた多層対流の２種類のパターンが存在すること，前者は通常の熱対流とは異なり，亜臨界遷移として生じることを示した．
④について，管内流れの実験により，気泡の集積パターンを評価する実験を実施した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
設定した上記①から④の項目について，概ね想定していた進展状況であるとともに，①では新たに開発したレオロジーマッピングの手法を用いて，高分子溶液の解析研究を派生させ，未確認の物性を定量的に示すことに成功した．また，計測の高度化から生み出された技術を特許申請した．①③の項目では，研究成果を複数本の論文に掲載するとともに，②④の結果は卒業論文と博士論文の形でまとめられ，次年度に投稿論文として公表できる状態になっている．
|
| Strategy for Future Research Activity |
上記の結果を踏まえて2021年度は，①に関して実際に気泡を分散させた高粘度流体での実験を実施し，気泡の非定常変形が流れに与える影響を定量的に評価する．特に，気泡変形が緩和される時間スケールを高分子溶液が持つ緩和時間に見立て，高分子溶液の解析で得られた知見を活用した解析を行う．
②では，製作した装置と構築した方法論を用いて，低レイノルズ数からの段階的な検証実験を行う．テイラー・クエット流れでは，回転数の増加と２円筒の回転方向の設定により，円周方向の卓越流れから渦流れ，非定常渦流れなど段階的に流れが発達する．これらの特徴を生かし，解析における平均化の範囲などの影響を評価する．
③について，①の結果を導入した解析を考える．すなわち，変形気泡が持つ複素粘度を構成方程式の形で表し，既存の安定性解析手法に組み込む．
④について，前年度に引き続き詳細なパラメータスタディを進め，研究成果をまとめる．
|
